用于确定通过柴油微粒过滤器的排气质量流量以及根据所确定的排气质量流量控制一个或多个发动机部件的方法和设备与流程

本发明总体上涉及用于确定通过柴油微粒过滤器(dpf)的排气质量流量的方法和设备，更具体地，涉及根据如此确定的排气质量流量来控制一个或多个发动机部件。

背景技术：

典型的柴油发动机设备包括发动机、分别通往发动机和从发动机引出的进气管线和排气管线、排气再循环管线以及在排气管线中的排气后处理系统(eats)，该排气再循环管线在进气管线和排气管线之间延伸，以允许一些排气被再循环到发动机的上游并与新鲜的充入空气混合。east通常包括dpf。了解通过dpf的排气质量流量或排气体积流量尤其对于实现合适的发动机性能和排放合规性以及对于发动机操作的诊断来说是至关重要的。应理解的是，排气质量流量和排气体积流量是相关的，因为排气质量流量是排气体积流量、排气温度和排气压力的函数，并且除非另外指明，否则，提及“确定排气体积流量”应理解为还意味着确定排气质量流量，反之亦然。

用于确定dpf中的烟灰负载的标准技术包含测量dpf两端的压降。对通过dpf的排气体积流量或排气质量流量的确定也是根据dpf两端的压降、dpf中的温度和dpf中的压力来确定的。发明人已认识到，这些技术并非特别可靠。更特别地，发明人已认识到，dpf两端的压降是通过dpf的烟灰负载或流量的不可靠指标，因为烟灰分布(即，烟灰在dpf中散布的方式)也起到重要的作用。

关于确定通过dpf的排气体积流量或排气质量流量，发明人已认识到，在正确确定通过dpf的排气的体积流量或质量流量方面，dpf中的烟灰分布的类型是重要参数。尽管不希望受到理论的约束，但目前预计，在给定类型的dpf中的体积流量与dpf两端的压降(dpdpf)之间关系的图形表示中，与不同烟灰负载下的特定烟灰分布相对应的线将具有图1中所示的大致形状。因此，对于例如图2中观察到的、主要由于过滤器孔隙12被烟灰14堵塞表面而引起的dpf10中的烟灰分布，随着烟灰负载从负载a增大到负载b再增大到负载c(由图1中的虚线所示)，给定dpdpf下的体积流量通常将如图1中所示地减小。类似地，对于例如图3中观察到的、主要由于dpf10的孔隙12的基底表面16上的烟灰负载而引起的烟灰分布，随着烟灰负载从负载a1增大到负载b1再增大到负载c1(由图1中的实线所示)，给定dpdpf下的体积流量通常将如图1中所示地减小，其中a1、b1和c1与a、b、c相同。在该图示中，如果烟灰负载主要是由于表面堵塞引起，则与烟灰负载主要是由于dpf的基底表面上的烟灰负载引起时相比，对于对给定的烟灰负载，在给定的压降下通过dpf的体积流量往往会更大。

希望提供一种更精确的技术来确定通过发动机设备中的dpf的排气质量流量(或体积流量)。还希望根据更精确的排气质量流量确定来控制一个或多个发动机部件。

技术实现要素：

发明人已认识到，通过确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布，可以更精确地确定通过dpf的排气质量流量。利用这种更精确的排气质量流量信息，可以根据该排气质量流量信息来适当地控制发动机部件，并由此提高发动机性能和排放合规性，并且更精确地诊断发动机操作。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定通过发动机设备中的柴油微粒过滤器(dpf)的排气质量流量的方法，该发动机设备包括发动机和排气后处理系统(eats)，该排气后处理系统包括所述dpf。该方法包括：确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布；测量dpf上的压降；测量dpf中的压力；测量dpf中的温度；以及，根据测得的压降、测得的压力、测得的温度以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制发动机设备中的发动机的方法，该发动机设备包括发动机和排气后处理系统(eats)，该排气后处理系统包括柴油微粒过滤器(dpf)。该方法包括通过以下方式来确定通过dpf的排气质量流量：确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布；测量dpf上的压降；测量dpf中的压力；测量dpf中的温度，以及根据测得的压降、测得的压力、测得的温度以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。该方法进一步包括：根据所确定的排气质量流量来控制一个或多个发动机部件。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定通过发动机设备中的柴油微粒过滤器(dpf)的排气质量流量的设备，该发动机设备包括发动机和排气后处理系统(eats)，该排气后处理系统包括所述dpf。该设备包括用于确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布的装置、用于测量dpf上的压降的装置、用于测量dpf中的压力的装置、用于测量dpf中的温度的装置、以及处理电路，该处理电路被配置成：根据测得的压降、测得的压力、测得的温度以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。

根据本发明的另一方面，一种发动机设备包括：发动机；排气后处理系统(eats)，该排气后处理系统在发动机的排气管线中，并且该eats包括柴油微粒过滤器(dpf)；以及用于确定通过dpf的排气流量的设备，该排气流量测量设备包括用于确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布的装置、用于测量dpf上的压降的装置、用于测量dpf中的压力的装置、用于测量dpf中的温度的装置、以及处理电路，该处理电路被配置成：根据测得的压降、测得的压力、测得的温度以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。该处理电路被配置成根据所确定的排气质量流量来控制一个或多个发动机部件。

附图说明

通过结合附图阅读以下的详细描述，可以很好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示出了在不同的烟灰负载和不同的烟灰分布下的、通过dpf的体积流量与dpf两端的压降之间关系的曲线图；

图2示意地示出了dpf的一部分，其中，孔隙的表面堵塞；

图3示意地示出了dpf的一部分，其中，孔隙的基底表面上具有烟灰负载；

图4示意地示出了根据本发明的一个方面的发动机设备；

图5示意地示出了根据本发明的一个方面的烟灰负载和烟灰分布确定设备；并且

图6是示出了用于根据所确定的排气质量流量来控制一个或多个发动机部件的方法中的步骤的流程图。

具体实施方式

在图5中示出了设备21，该设备21用于确定通过发动机设备25(图4)中的柴油微粒过滤器29(dpf)的排气质量流量mef，该发动机设备25包括发动机23和排气后处理系统27(eats)，该排气后处理系统27包括柴油微粒过滤器29(dpf)。

设备21可以包括用于确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布的装置31、用于测量dpf上的压降dpdpf的装置33、用于测量dpf中的压力pdpf的装置35、用于测量dpf中的温度tdpf的装置37、以及处理电路39，该处理电路39被配置成根据测得的压降、测得的压力、测得的温度以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。

虽然烟灰负载和烟灰分布可以由不同的装置确定，但目前优选的用于确定dpf29中的烟灰负载和烟灰分布的装置31可以包括(但不限于)rf传感器设备，该rf传感器设备被配置成感测所发射的微波信号与接收到的反射微波信号之间的微波频谱信号的“差异”。适合与本发明结合使用的rf传感器由cts公司制造(https://www.ctscorp.com/products/sensors-2/rf-dpf-sensor/)，但也可以使用或替代地使用其它非破坏性技术，这些技术可以例如通过x射线或超声波来实时地确立dpf中的烟灰负载和烟灰分布，使得该信息可以实时地与通过dpf的排气质量流量相关联。

利用rf传感器设备，这些信号可以由同一个天线单元(即，第一天线单元)发射和接收。如果安装了不止一个天线，可以检测来自第一天线单元31a的所发射的微波信号与由第二(或第三)天线单元31b接收到的所接收的微波信号之间的微波频谱信号的差异。通过使用处理电路，这些差异中的任一个均可以通过预定算法转换成dpf29中的烟灰负载和烟灰分布的程度。微波是一种形式的电磁辐射，其波长范围从长至一米到短至一毫米，或者等效地，其频率在300mhz(0.3ghz)和300ghz之间。射频(rf)是大约3khz至300ghz范围内的振荡速率。

在与本发明结合使用的rf传感器设备中，从天线单元发射的信号通常在具有预定射频的带宽内。替代地，可以通过具有不同预定频率的天线单元来发射多个信号。通过了解所发射的信号的射频，可以确定在所发射的信号与所接收的反射信号或所接收的信号之间的差异。通常，由处理电路执行这种分析。

所发射的信号与接收到的反射信号或所接收的信号之间的“差异”可以对应于脉冲的差异、振幅的差异和/或频谱能量的差异。替代地，该差异可以对应于衰减的差异。更具体地，“差异”可以指所发射的微波的振幅大小与所接收的反射微波的振幅大小之间的差异。类似地，“差异”可以指所发射的微波的振幅大小与所接收的微波的振幅大小之间的差异。类似地，“差异”可以指所发射的微波的脉冲与所接收的反射微波或所接收的微波的脉冲之间的差异。例如，将所发射的信号的脉冲的预定点(例如，谷或峰)与所接收的反射信号的脉冲的该预定点的位置进行比较。类似地，将所发射的信号的脉冲的预定点(例如，谷或峰)与所接收的信号的脉冲的该预定点的位置进行比较。也就是说，在所发射的信号与所接收的反射信号或所接收的信号之间确定脉冲的变化。因此，通过分析在给定频率下或优选在多个频率下的振幅、衰减和/或相位的变化，可以确定所接收的微波与所发射的微波之间的差异。

处理电路39和术语“处理电路”可以指控制单元和/或可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程器件。该处理电路还可以包括或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在该处理电路包括诸如上文提到的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器的可编程器件的情况下，所述处理器还可以包括控制该可编程器件的操作的计算机可执行代码。

通常，该处理电路可以通过分析不同频率下的振幅和/或相位而基于所接收的rf信号的频谱分析来确定所述差异。通过检测在选定频率下的振幅和/或相位的变化，该处理电路能够将所发射的信号与所接收的信号进行比较。在扫频信号的情况下，该处理电路能够利用扫频范围中的所有频率或部分频率，以实现执行信号分析的目的。在具有较大带宽的复合rf信号的情况下，该处理电路可以连接到一组一个或多个滤波器(例如，带通滤波器)，以过滤出所接收的复合rf信号中的感兴趣部分，并且将这些频率部分用在频谱分析中。

可以基于所接收的信号的当前频谱值(一个或多个频率下的振幅/相位，或者多个频率下的振幅/相位比)与所发射的信号的先前确定的频谱值的比较来确定差异。所发射的信号的先前确定的频谱值可以基于先前时刻的频谱分析。

通过分析一个或多个所发射的信号与一个或多个所接收的信号之间的差异，可以确立用于dpf中的烟灰负载和烟灰分布的参数，这些参数可以用在算法中以精确地确定排气质量流量，其中：

(1)dpdpf＝f(体积流量、pdpf、tdpf、烟灰负载、烟灰分布)，

(2)体积流量＝f(dpdpf、pdpf、tdpf、烟灰负载、烟灰分布)，以及

(3)mef＝f(体积流量、pdpf、tdpf)

其中

dpdpf＝dpf两端的压降

体积流量＝通过dpf的排气流的体积

pdpf＝dpf的压力

tdpf＝dpf的温度

烟灰负载＝dpf的烟灰负载

烟灰分布＝dpf中的烟灰分布——表征烟灰负载的位置和类型的参数

mef＝通过dpf的排气质量流量

pdpf和tdpf可以以多种方式确定，但是通常通过dpf中的各个位置处的压力和温度的平均值来确定，并且可以简单地是单个位置处(例如dpf的入口处)的压力和温度。

通常，基于在不同的dpf温度和dpf两端的压降下的大量测试数据，结合与特定的烟灰负载水平和烟灰分布类型相对应的不同信号数据，根据经验为特定类型的dpf确立用于dpf中的烟灰负载和烟灰分布的参数。因此，通过对同一类型的给定dpf的信号数据的分析，将可以确定用于烟灰负载的参数，并且针对该dpf确定烟灰负载是由于过滤器孔隙的表面堵塞、由于烟灰沿着过滤器孔隙的表面堆积还是由于这两种原因的某种组合而引起的，并因此确定通过该dpf的排气质量流量。目前预期的是，通常，对于大多数dpf类型，在对于不同类型的烟灰分布的不同负载下，体积流量与dpdpf之间关系的曲线图的总体形状将如图1所示。虽然目前预期dpf中的烟灰分布通常主要是一种或另一类型的分布(表面堵塞或基底表面负载)，但也可以理解将存在负载是这两种类型分布的组合的情形。

用于测量dpf29上的压降dpdpf的装置33可以是任何合适的装置，例如是布置在dpf的入口和出口处的压力传感器，这些压力传感器可以将信号发送到处理电路，以确定这两个传感器之间的压力差。

用于测量dpf29中的压力pdpf的装置35可以是任何合适的装置，例如是布置在沿着dpf的若干个点处的多个压力传感器，这些压力传感器将信号发送到处理电路，该处理电路然后确定dpf中的压力的平均值，或者是单个压力传感器，该单个压力传感器感测在单个位置处(例如在dpf的入口处)的压力。如括号中的附图标记35所示，用于测量dpf29中的压力pdpf的装置可以为用于测量dpf上的压降的一个或多个传感器的形式。

类似于用于测量dpf29中的压力pdpf的装置35，用于测量dpf中的温度tdpf的装置37可以是任何合适的装置，例如是布置在沿着dpf的若干个点处的多个温度传感器，这些温度传感器将信号发送到处理电路，该处理电路然后确定dpf中的温度的平均值，或者是单个温度传感器，该单个温度传感器感测在单个位置处(例如在dpf的入口处)的温度。

在图4中可以看到根据本发明的一个方面的发动机设备25，并且该发动机设备25包括发动机23、在发动机的排气管线41中的eats27(该eats包括dpf29)、以及用于确定通过dpf的排气质量流量的设备21。该排气质量流量确定设备21包括用于确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布的装置31、用于测量dpf上的压降的装置33、用于测量dpf中的压力的装置35、用于测量dpf中的温度的装置37以及处理电路39，该处理电路39被配置成根据测得的压降、测得的压力、测得的温度、以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。此外，该处理电路39被配置成根据对通过dpf的排气质量流量的确定来控制一个或多个发动机部件。

在本发明的一个方面，处理电路39被配置成：根据所确定的排气质量流量来控制从排气管线41中的在发动机23下游的点45、通过排气再循环(egr)管线43到进气管线67中的在该发动机上游的点47的流动。egr管线43包括egr阀49，该egr阀49能够由处理电路39控制，以根据所确定的排气质量流量来控制通过egr管线的egr流。当egr管线43中不存在egr流时，即，当egr阀49完全关闭时，则：

(4)mef＝充入空气质量流量+燃料质量流量

充入空气质量流量等于新鲜空气质量流量加上egr质量流量，并且在等式(4)中，egr质量流量为零。当存在egr流时，egr质量流量可以根据以下等式来计算：

(5)egr质量流量＝充入空气质量流量+燃料质量流量-mef

如果不存在egr，则充入空气质量流量等于新鲜空气质量流量，该新鲜空气质量流量可以例如通过热线空气质量流量计来确定。如果存在egr(以及如果不存在egr)，则可以将充入空气质量流量确定为：

(6)充入空气质量流量＝f(pinlet,tinlet,体积效率模型)+燃料质量流量

其中，pinlet和tinlet是发动机的进气歧管处的压力和温度。以此方式确定egr质量流量允许简化egr系统，因为可以避免对流量测量设备的需求。替代地，这种确定egr质量流量的方法可以作为常规流量测量设备(例如，文丘里管)的备用，或反之亦然。当精确地知道egr质量流量时，则能够控制egr流，例如通过经由处理电路控制egr管线43中的egr阀49来控制egr流，以实现所期望的效果，例如改善的燃烧、改善的排放以及所期望的功率水平。

在本发明的又一方面，处理电路39被配置成：根据所确定的排气质量流量来控制诸如尿素的还原剂向进入eats27中的选择性催化还原催化剂51(scr)的排气流中的配送，例如通过控制用于尿素的泵来进行。通过根据本发明来确定排气质量流量，能够避免或最小化用于确定排气质量流量的常规技术(例如仅仅基于对dpf29两端的压降的确定)中的不准确性，并且能够避免排气流的过度配送或不足配送。

在本发明的又一方面，处理电路39被配置成：根据所确定的排气质量流量来控制在发动机制动期间通过发动机23的空气流，以使发动机部件的温度保持低于预定温度。例如，在发动机制动期间，即使在发动机气缸53中未发生燃烧，气缸内的空气的压缩仍会导致产生高温。在正常的发动机运行期间，燃料喷射器头部55被经过这些燃料喷射器头部55的燃料冷却。在发动机制动期间，没有燃料被喷射到气缸内，并且在喷射器头部处可能产生高温，这可能会造成损坏。通过根据本发明来更精确地测量排气质量流量，例如通过控制压缩机63的速度和/或可变几何涡轮增压器65的叶片角度，可以确保足够的空气通过气缸，以将诸如喷射器头部55的部件保持在期望的温度范围内。

在本发明的又一方面，处理电路39被配置成：根据所确定的排气质量流量来控制发动机的气缸进气阀57和气缸排气阀59二者中的至少一个阀的打开和关闭正时。能够以任何常规的方式来操作进气阀57和排气阀59，例如经由螺线管(未示出)使这些阀进行电动往复运动。与根据所确定的排气质量流量来控制发动机23的气缸进气阀57和气缸排气阀59二者中的至少一个阀的打开和关闭正时同时地或独立地，处理电路39可以被配置成根据所确定的排气质量流量来控制经由燃料喷射器61向发动机的气缸53内的燃料喷射。可以控制燃料喷射器61，以便以任何合适的常规方式、例如通过对所述喷射器的电动致动来喷射燃料。精确且实时地了解排气质量流量、egr流和充入空气质量流量有助于控制阀正时和燃料喷射正时，以优化燃料经济性和动力生成并且控制排放。如果未正确地确定并且基本上未实时地确定排气质量流量，则可能以不太优化的速率提供所述充入空气质量流量，并且egr的确定可能不准确。如果基于不正确的数据来改变阀正时或燃料喷嘴，则无论是为了优化燃料消耗或动力生成还是为了控制排放，它们通常将无法实现所期望的结果。

在本发明的又一方面，处理电路39被配置成：根据所确定的排气质量流量来控制到发动机中的新鲜空气进气。在精确、基本实时地了解排气质量流量的情况下，可以控制压缩机63(例如，涡轮增压器65的压缩机)以引入所期望的新鲜空气量，从而实现所期望的燃烧效果(包括优化燃料效率和动力生成)以及实现所期望的排放效果，这例如通过控制压缩机63的速度和/或可变几何涡轮增压器65的叶片角度来进行。例如，如果根据本发明将排气质量流量确定为“x”，那么，如果希望生成更多动力或者实现更完全的燃烧，则可以增加新鲜空气进气的量，直到排气质量流量为“x’”(其中x’＞x)为止。

应理解的是，本文中描述的发动机设备25和eats27不限于所示出的实施例。例如，发动机设备25通常将包括多个气缸53，这些气缸53分别连接到在进气管线67和气缸53之间的进气歧管(未示出)以及在排气管线41和这些气缸之间的排气歧管(未示出)，并且eats27通常将包括附加的部件，例如柴油氧化催化剂，其通常在排气管线41中位于dpf29的上游且在涡轮增压器涡轮69的下游。

图6是示出了用于控制发动机设备25中的发动机23的方法中的步骤的流程图，该发动机设备25包括该发动机和eats27，该eats27包括dpf29。在步骤s1中，通过用于确定烟灰负载和烟灰分布的合适装置31来确定dpf中的烟灰负载和烟灰分布，该装置例如是与处理电路39相关联的rf传感器。在步骤s2中，通过用于测量压降的合适装置33来测量dpf上的压降dpdpf，该装置例如是在dpf的入口和出口处的压力传感器。在步骤s3中，通过用于测量压力的合适装置35(该装置35可以是用于测量压降的装置33的一部分)来测量dpf中的压力p，该装置35例如是在dpf中的一个或多个位置处的压力传感器。在步骤s4中，通过用于测量温度的合适装置37来测量dpf29中的温度，该装置37例如是温度传感器。然后在步骤s5中，根据测得的压降、测得的压力、测得的温度以及所述烟灰负载和烟灰分布来确定通过dpf的排气质量流量。

在步骤s6中，根据在步骤s5中确定的排气质量流量来控制一个或多个发动机部件。控制一个或多个发动机部件的步骤可以包括如下中的一个或多个：

·根据所确定的排气质量流量来控制从发动机下游的点通过排气再循环管线到发动机上游的点的流动，例如通过控制egr阀49的打开和关闭来进行；

·根据所确定的排气质量流量来控制还原剂向进入eats中的选择性催化还原催化剂(scr)的排气流中的配送，例如通过控制用于配送尿素的泵来进行；

·根据所确定的排气质量流量来控制碳氢化合物经由后处理碳氢化合物喷射(ahi)设备71(图4)向排气中的喷射，用于dpf的主动再生；

·根据所确定的排气质量流量来控制在发动机制动期间通过发动机的空气流，以使发动机部件的温度保持低于预定温度，例如通过控制压缩机63的速度或可变几何涡轮增压器65的叶片角度来进行；

·根据所确定的排气质量流量来控制发动机的气缸进气阀57和气缸排气阀59二者中的至少一个阀的打开和关闭正时；

·根据所确定的排气质量流量来控制由发动机的燃料喷射器61向气缸内的燃料喷射；以及

·根据所确定的排气质量流量来控制到发动机中的新鲜空气进气，例如通过控制压缩机63的速度和/或可变几何涡轮增压器65的叶片角度来进行。

前文的列举并非旨在是限制性的，并且，控制一个或多个发动机部件的步骤可以包括控制其它部件。

在本申请中，诸如“包括”之类的术语的使用是开放性的，并且旨在与诸如“包含”之类的术语具有相同的含义且不排除其它结构、材料或动作的存在。类似地，虽然诸如“能够”或“可以”之类的术语的使用旨在是开放性的并且表明结构、材料或动作不是必须的，但不使用这种术语也并非旨在表明结构、材料或动作是必要的。就结构、材料或动作目前被认为必要的程度而言，它们是这样被认为的。

虽然已根据优选的实施例示出并描述了本发明，但应认识到，在不偏离权利要求书中限定的本发明的情况下，可以在其中进行变化和修改。